一种水轮机强迫补气系统及运行方法与流程

1.本发明涉及水轮机补气技术领域，特别是涉及一种水轮机强迫补气系统及运行方法。


背景技术：

2.为改善我国能源结构，降低电力行业对环境的影响，近几年以风电、光伏发电为代表的新能源开始成为新的发展趋势。水电作为目前唯一一种技术成熟的绿色可再生清洁能源，其快速响应和环境友好的特点，使其在我国的电力系统中具有重要地位，承担着主要调峰调频作用。为满足不同时段的用电需求，机组的出力随系统负荷的要求经常变化，因此，水轮机经常运行在一个相对宽广的工况范围内。根据国内外许多实际电站的运行经验和大量的模型试验，如美国大古力、俄罗斯萨彦和国内的三峡、二滩、刘家峡等水电站，当水轮机运行在偏离设计工况的区域时，存在尾水管涡带压力脉动区，尾水管内会发生不同程度的振动问题。瑞士洛桑联邦理工大学针对某一模型水轮机进行了一系列试验，试验结果表明，在设计流量附近，流动相对稳定，尾水管压力监测点的压力相对恒定，而在偏离设计流量的工况下，会有明显的压力脉动产生，尤其在0.4至0.8倍的设计流量工况下，压力脉动尤为剧烈。这种压力脉动轻则导致出力效率摆动，叶片振动加速裂纹产生从而影响水轮机的寿命，重则导致尾水管和厂房结构的共振，严重影响机组和结构的安全。枫树坝电厂机组，在导叶开度约32％-37％是强振区，上机架垂直振动达0.05mm，顶盖垂直振动达0.32mm，尾水管进人孔盖振动达0.8mm，钢管水压脉动5.6-7.1kg/cm2，顶盖中部1.1-2.5kg/cm2，顶盖外部1.6-4kg/cm2。沙沱电厂4号机2014年在2号叶片与下环焊接焊缝靠出水边立面处有7mm和11mm两条裂纹，2015年1号机7号叶片与泄水锥连接部有长度20mm裂纹，2号机1号叶片出水边与上冠焊接部位从叶片正面到立面再到背面延伸195mm的裂纹，深度最大有50mm。
3.通过顶盖补气可以改变流场中的压力分布，气体对液体流场的排挤，使其圆周速度分量与轴向速度分量之比减小，截面轴向速度分布趋于均匀，有效减小涡带偏心率，抑制压力脉动，同时补气也改变了流场内压力梯度分布，随着空气通入到尾水管中，尾水管内压力分布趋于均匀，沿流向逆压梯度降低，旋涡分离造成的涡带脱落形式转变为柱状涡带，同时径向截面压力梯度分布也趋于均匀，从而抑制了压力脉动的产生。
4.目前，水轮机补气方式主要有两种，一种是自然补气，补气管一端通往大气，另一端通向尾水管，当水轮机在偏离设计工况运行时，尾水管内产生涡带，压力降低，当小于大气压力时，大气与尾水管产生压差，空气沿着补气管进入尾水管，对尾水管内的压力和压力梯度产生影响，但补气量难以控制，达不到理想效果。另一种是强迫补气，利用空压机向尾水管送入高压气体；当尾水管内压力高于大气压时，大气无法利用压差进入尾水管，就必须用这种补气方式。这种补气方式虽然解决了尾水管内压力高，无法进行自然补气的问题，但其补气量无法随着水轮机机组负荷的变换进行自动调节，存在着在水轮机机组机组在某一负荷下补气不足，对抑制尾水管压力脉动效果不明显及补气量超标降低水轮机效率等问题，仍存在缺陷。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的强迫补气方式无法随着水轮机机组负荷的变换进行自动调节而导致水轮机机组机组在某一负荷下补气不足，对抑制尾水管压力脉动效果不明显及补气量超标降低水轮机效率的缺陷，从而提供一种水轮机强迫补气系统及运行方法。
6.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种水轮机强迫补气运行方法，包括如下步骤：
8.s1、实时获取机组负荷、水头及机组稳定性指标；
9.s2、将s1中获取的负荷和水头与机组处于振动区时水头的阈值与负荷的阈值进行比较，判断当前机组是否处于振动区，若否，返回至步骤s1，若是，则进入步骤s3；
10.s3、将s1中获取的机组稳定性指标数据与机组处于稳定状态下的机组稳定性指标阈值进行比较，判断机组稳定性指标是否超标，若否，返回至步骤s1，若是，则进入步骤s4；
11.s4、根据步骤s1中获取的机组负荷和水头算出当前机组达到稳定状态所需要的补气量，控制器调节空气阀到对应开度，对机组进行实时补气。
12.优选地，机组稳定运行在一定时间后，才开始实时获取机组负荷、水头及机组稳定性指标。
13.优选地，机组稳定性指标超标包括尾水压力脉动、顶盖xy方向振动、导叶臂振动对比和进人门振动等。
14.优选地，步骤s4中，通过数值仿真及真机试验结果确定的水轮机各种工况的补气量，将然后各种工况下的负荷、水头和对应的补气量形成多组数据通过神经网络智能算法中训练学习得出水头h、负荷n及补气量q的算法模型，系统根据当前机组的负荷和水头采用神经网络智能算法中训练得出的算法模型算出当前机组需要的补气量。
15.一种水轮机强迫补气系统，包括机组状态监控子系统、机组数据采集处理子系统、控制器、补气组件和补气管，上述补气组件与上述控制器电连接；
16.上述补气管一端与上述补气组件的出气口连通，另一端与水轮机内腔连通且安装在水轮机顶盖上；
17.上述补气管上连通有空气阀，上述空气阀与上述控制器电连接，上述控制器与上述机组数据采集处理子系统电连接，上述机组数据采集处理子系统与上述机组状态监控子系统电连接。
18.优选地，还包括主管道，上述主管道的进气口与上述补气组件的出气口连通，上述补气管的数量为多个，任意一个上述补气管的进气口均与上述主管道连通，多个上述补气管周向均匀分布在水轮机顶盖上。
19.优选地，任意一个上述补气管上还连通有逆止阀，上述逆止阀位于上述空气阀的下游。
20.优选地，任意一个上述补气管上还连通气体流量计，上述气体流量计与上述控制器电连接。
21.优选地，上述补气组件包括空气压缩机和储气罐，上述空气压缩机的出气口与上述储气罐的进气口连通，上述储气罐的出气口与上述补气管连通。
22.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
23.系统实时获取机组的负荷、水头及稳定性指标各项数据，通过判断负荷、水头和稳定性指标均处于振动区内时，才准确确定机组处于振动区内，才需要进行补气操作，避免机组误补气，干扰机组运行的稳定性，而且实时负荷下机组所需要的补气量是根据实时获取机组的负荷、水头计算得出，使机组的补气量能够随着机组负荷的变换进行自动调节，自动补气，避免水轮机机组机组在某一负荷下补气不足的情况发生，从而能够稳定改善尾水涡带，提高机组运行稳定性和运行效率。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明中实施例的系统运行方法图；
26.图2为本发明中实施例的整体示意图；
27.图3为本发明中实施例内的装置结构图；
28.图4为本发明中实施例中机组强迫补气前后顶盖x向振动对比图；
29.图5为本发明中实施例中机组强迫补气前后顶盖y向振动对比图；
30.图6为本发明中实施例中机组强迫补气前后导叶臂振动对比图；
31.图7为本发明中实施例中机组强迫补气进人门振动对比图；
32.图8为本发明中实施例中系统中不同水头与机组出力对应补气量的关系图。
33.附图标记说明：
34.1、补气组件；11、空气压缩机；12、储气罐；2、主管道；3、补气管；4、空气阀；5、逆止阀；6、气体流量计；7、水轮机顶盖。
具体实施方式
35.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.实施例
39.本发明实施例提供了一种水轮机强迫补气运行方法，如图1所示，包括如下步骤
40.s1、实时获取机组负荷、水头及机组稳定性指标；
41.s2、将s1中获取的负荷和水头与机组处于振动区时水头的阈值与负荷的阈值进行比较，判断当前机组是否处于振动区，若否，返回至步骤s1，若是，则进入步骤s3；
42.s3、将s1中获取的机组稳定性指标数据与机组处于稳定状态下的机组稳定性指标阈值进行比较，判断机组稳定性指标是否超标，若否，返回至步骤s1，若是，则进入步骤s4；
43.s4、根据步骤s1中获取的机组负荷和水头算出当前机组达到稳定状态所需要的补气量，控制器调节空气阀到对应开度，对机组进行实时补气。
44.在上述方法中，系统实时获取机组的负荷、水头及稳定性指标各项数据，通过判断负荷、水头和稳定性指标均处于振动区内时，才准确确定机组处于振动区内，才需要进行补气操作，避免机组误补气，干扰机组运行的稳定性，而且实时负荷下机组所需要的补气量是根据获取机组的负荷、水头计算得出，使机组的补气量能够随着机组负荷的变换进行自动调节，自动补气，避免水轮机机组机组在某一负荷下补气不足的情况发生，从而能够稳定改善尾水涡带，提高机组运行稳定性和运行效率。
45.进一步的，机组稳定运行3min-5min后，才开始实时获取机组负荷、水头及机组稳定性指标，然后进行步骤s2，进行机组是否处于振动区的判断,避免机组处于开关机阶段，仍进行补气操作；具体的，稳定运行时的负荷偏差处于
±
10％范围内均认为负荷稳定运行。
46.进一步的，机组稳定性指标超标包括尾水压力脉动、顶盖xy方向振动、导叶臂振动对比和进人门振动等。
47.进一步的，步骤s4中，通过数值仿真及真机试验结果确定的水轮机各种工况的补气量，将然后各种工况下的负荷、水头和对应的补气量形成多组数据通过神经网络智能算法中训练学习得出水头h、负荷n及补气量q的算法模型，系统根据当前机组的负荷和水头采用神经网络智能算法中训练得出的算法模型算出当前机组需要的补气量，采用神经网络智能算法，将数值仿真计算或真机试验得出的水头h、负荷n和补气量q关系进行延拓，解决数值仿真计算或真机试验工况点有限、不连续的问题，从而能够得到各水头h和各负荷n对应的补气量q。
48.上述补气运行方法对应的一种水轮机强迫补气系统，如图2-3所示，包括机组数据采集处理子系统、控制器、补气组件1和补气管3，补气组件1与控制器电连接；补气管3一端与补气组件1的出气口通过法兰连通，另一端与水轮机内腔连通且通过法兰安装在水轮机顶盖7上；补气管3上连通有空气阀4，空气阀4通过法兰连接在补气管3上；空气阀4与控制器电连接，控制器与机组数据采集处理子系统电连接，机组数据采集处理子系统与机组状态监控子系统电连接；具体的，机组数据采集处理子系统和机组状态监控子系统均为电厂内现有系统。
49.具体的，机组数据采集处理子系统从机组状态监控子系统获取数据，然后机组数据采集处理子系统把获取数据与其内设置的机组稳定数据相对比，然后判定机组是否处于振动区内，如果机组处于振动区内，机组数据采集处理子系统计算出此时机组需要的补气量，然后发送信号给控制器，控制器控制空气阀4打开，补气组件1通过补气管3补气，进而改善尾水涡带及机组在原振动区的运行稳定性，保证机组稳定运行。
50.进一步的，还包括主管道2，主管道2的进气口与补气组件1的出气口连通，补气管3
的数量为多个，任意一个补气管3的进气口均与主管道2连通，多个补气管3周向均匀分布在水轮机顶盖7上，使进入转轮无叶区的气体在圆周方向上保持均匀，稳定抑制压力脉动的产生。
51.进一步的，任意一个补气管3上还连通有逆止阀5，逆止阀5位于空气阀4的下游，避免机组内的水和气体逆流，保证补气管3的正常工作。
52.进一步的，任意一个补气管3上还连通气体流量计6，气体流量计6与控制器电连接，从而能够实时得知进入机组内的补气量，从而实时的显示补气管3上的补气量与机组稳定性指标的关系，方便工作人员分析。
53.进一步的，补气组件1包括空气压缩机11和储气罐12，空气压缩机11的出气口与储气罐12的进气口连通，储气罐12的出气口与主管道2的进气口通过法兰连通，通过设置储气罐12，使得储气罐12内有恒定的初始压力，稳定通过补气管3供气。
54.上述补气系统具体工作方法如下：首先机组数据采集处理子系统从机组状态监控子系统中获取实时的机组负荷、水头及稳定性指标，然后将采集的数据与在机组数据采集处理子系统内设置的机组处于振动区时水头的阈值与负荷的阈值进行比较，然后进行判断，判断当前机组是否处于振动区；若当前机组未处于振动区时，则机组数据采集处理子系统不向控制器发出信号，机组正常运行，同时机组数据采集处理子系统继续采集实时数据进行对比，循环往复；若当前机组处于振动区时，同时将机组数据采集处理子系统从机组状态监控子系统获取的稳定性指标各项数据与其内设置的稳定性指标标准数据进行对比，然后判断机组稳定性指标是否处于稳定状态，如果处于稳定状态，则不向控制发送信号，根据重新获取的水头、负荷及机组稳定性指标继续判断，循环往复；如果机组稳定性指标超标，机组数据采集处理子系统计算出补气量，然后发送信号给控制器，控制器控制空气压缩机11运行，而且空气阀4打开并到相应的开度，然后然后储气罐12内的气体通过主管道2和多个补气管3补气到水轮机内。
55.效果例
56.如图4-7所示，上图依次分别为机组强迫补气前后顶盖x、y向振动对比、导叶臂振动对比、进人门振动对比图；从顶盖/导叶臂振动变化趋势来看，强迫补气对降低顶盖垂直振动和导叶臂振动幅值效果明显；顶盖垂直振动加速度振幅有效值最大下降百分比达到50％，顶盖+y方向，即蜗壳进口处，下降明显，强迫补气系统对于低负荷区域振动值有明显的减弱作用。
57.如图8所示，为不同水头与机组出力对应补气量的关系图；当机组出力较小时，不同水头对应的补气量较小，且相差不大；当随着机组出力的增加，各个水头下的补气量也随之增加，相同机组出力下，水头越小，补气量越大。
58.上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

技术特征：
1.一种水轮机强迫补气运行方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、实时获取机组负荷、水头及机组稳定性指标；s2、将s1中获取的负荷和水头与机组处于振动区时水头的阈值与负荷的阈值进行比较，判断当前机组是否处于振动区，若否，返回至步骤s1，若是，则进入步骤s3；s3、将s1中获取的机组稳定性指标数据与机组处于稳定状态下的机组稳定性指标阈值进行比较，判断机组稳定性指标是否超标，若否，返回至步骤s1，若是，则进入步骤s4；s4、根据步骤s1中获取的机组负荷和水头算出当前机组达到稳定状态所需要的补气量，控制器调节空气阀到对应开度，对机组进行实时补气。2.根据权利要求1所述的强迫补气运行方法，其特征在于，机组稳定运行在一定时间后，才开始实时获取机组负荷、水头及机组稳定性指标。3.根据权利要求1所述的强迫补气运行方法，其特征在于，所述机组稳定性指标超标包括尾水压力脉动、顶盖xy方向振动、导叶臂振动对比和进人门振动等。4.根据权利要求1所述的强迫补气运行方法，其特征在于，步骤s4中，通过数值仿真及真机试验结果确定的水轮机各种工况的补气量，将然后各种工况下的负荷、水头和对应的补气量形成多组数据通过神经网络智能算法中训练学习得出水头h、负荷n及补气量q的算法模型，系统根据当前机组的负荷和水头采用神经网络智能算法中训练得出的算法模型算出当前机组需要的补气量。5.一种水轮机强迫补气系统，其特征在于，包括机组状态监控子系统、机组数据采集处理子系统、控制器、补气组件和补气管，所述补气组件与所述控制器电连接；所述补气管一端与所述补气组件的出气口连通，另一端与水轮机内腔连通且安装在水轮机顶盖上；所述补气管上连通有空气阀，所述空气阀与所述控制器电连接，所述控制器与所述机组数据采集处理子系统电连接，所述机组数据采集处理子系统与所述机组状态监控子系统电连接。6.根据权利要求5所述的补气系统，其特征在于，还包括主管道，所述主管道的进气口与所述补气组件的出气口连通，所述补气管的数量为多个，任意一个所述补气管的进气口均与所述主管道连通，多个所述补气管周向均匀分布在水轮机顶盖上。7.根据权利要求6所述的补气系统，其特征在于，任意一个所述补气管上还连通有逆止阀，所述逆止阀位于所述空气阀的下游。8.根据权利要求6所述的补气系统，其特征在于，任意一个所述补气管上还连通气体流量计，所述气体流量计与所述控制器电连接。9.根据权利要求5所述的补气系统，其特征在于，所述补气组件包括空气压缩机和储气罐，所述空气压缩机的出气口与所述储气罐的进气口连通，所述储气罐的出气口与所述补气管连通。

技术总结
本发明涉及一种水轮机强迫补气系统及运行方法，包括如下步骤：S1、实时获取机组负荷、水头及机组稳定性指标；S2、负荷和水头与机组处于振动区时水头的阈值与负荷的阈值比较，判断当前机组是否处于振动区，若否，返回至步骤S1，若是，则进入步骤S3；S3、机组稳定性指标数据与机组处于稳定状态下的机组稳定性指标阈值比较，判断机组稳定性指标是否超标，若否，返回至步骤S1，若是，则进入步骤S4；S4、根据机组负荷和水头算出当前机组达到稳定状态所需要的补气量，调节空气阀到对应开度，对机组进行实时补气。本发明补气时能够计算实时补气量，使补气量能够随着负荷变换进行自动调节，稳定改善尾水涡带，提高机组运行稳定性。提高机组运行稳定性。提高机组运行稳定性。


技术研发人员：潘剑 王渊博 熊必文 曹光伟 许海洋 李林伟 党涛 刘成杰 李本夫 叶刚 唐驰
受保护的技术使用者：华电电力科学研究院有限公司
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/6/28